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大功率集成化电力电子模块关键技术研究

张帆  
【摘要】: 在大功率电力电子应用场合,由于拓扑结构相对单一,因此其核心变流器部分适合采用集成化的电力电子单元模块构成,在工业领域大型电力电子系统的开发中这已成为一种趋势,本文着重对大功率应用场合的集成化基本模块进行了研究和探讨。 大功率领域中广泛应用了多电平技术,多电平电路拓扑的结构特点和大功率集成化电力电子基本模块之间有着紧密的联系。从统一化多电平拓扑出发,本文对各类多电平拓扑进行了统一化分析,得到了各类多电平拓扑形成的两种主要方式:组合和简化。按各类多电平拓扑是否具备可分解特性,对适合采用基本模块进行设计的多电平拓扑进行了归类,其中级联型多电平拓扑最具优势。 论文中提出了一种新型的自平衡级联多电平拓扑,该多电平拓扑的优点是只需采用一个电压源,就可以以级联的方式实现输出电压的升降。新型拓扑具有电压自动平衡的特性,和输出负载的性质无关。相比传统多电平拓扑,该新型多电平拓扑可以用较低的硬件成本和控制难度实现相同电平的输出。新型多电平拓扑还可应用于DC-DC应用场合中,具有良好的应用前景。 针对汽车42V双母线供电系统,论文中提出了一种新型飞跨电容型DC-DC四电平变流器,变流器拓扑中没有任何磁性元件,因此更加适合集成化设计。文中对新型DC-DC变流器的工作原理进行了分析。同时为解决传统飞跨电容型DC-DC电路开关瞬间过高脉冲电流对变流器效率的影响,论文通过对变流器输出特性和电路参数的分析,提出了一种新的飞跨电容多电平DC-DC电路的设计方法。采用该设计方法,可将电路开关状态切换时的电流峰值有效降低,从而降低了变流器的损耗。变流器采用集成化模块设计,在轻载时实现了98%的效率,满载时效率接近96%,获得了非常高的效率。 按集成化电力电子模块的设计方法,成功设计了50kVA和1.5MVA系列通用变流器模块。在模块设计中,针对模块集成开发中的关键技术,如主功率回路的寄生参数提取、互连母线和散热器的优化设计进行了分析讨论。论文中对主功率回路设计中不同结构形式的母线排进行了仿真和实验分析。在模块设计中,采用AnsoftQ3D对各种互连母线方式进行了分析,采用ANSYS软件对水冷散热器的各种设计方案进行了优选。以上两个通用逆变器模块在测试中都取得了良好的运行性能。 以开发的通用变流器模块为基础,论文对基本模块的扩展应用进行了讨论,介绍了集成化电力电子模块在铁路牵引系统、电能质量及静止无功调节系统以及风力发电并网系统中的应用前景。


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